Promieniowanie jonizujące w środowisku. Wykład 1. Wprowadzenie. Aleksandra Wrońska Wykład dla studentów Ochrony Środowiska

Transkrypt

1 w środowisku Wykład 1 Wprowadzenie Aleksandra Wrońska Wykład dla studentów Ochrony Środowiska Aleksandra Wrońska Zakład Fizyki Jądrowej, Instytu Fizyki UJ ul. Łojasiewicza 11, pokój B-2-33 tel aleksandra.wronska@uj.edu.pl Konsultacje: czwartki 8:30-10:00 Terminy wykładów (w przypadku zmian informacja via usos-mail): 4 października 8 listopada 11 października 15 listopada 18 października 22 listopada 25 października 6 grudnia (egzamin) Zaliczenie kursu: egzamin pisemny na koniec kursu Kontynuacja: zajęcia laboratoryjne w IF UJ (II semestr)

2 Dlaczego zajmujemy się promieniowaniem? Promieniowanie jest wszędzie Promieniowanie Słońca - wszystko, co powstaje podczas reakcji zachodzących wewnątrz Słońca i dociera do górnych warstw atmosfery promieniowanie widzialne promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe wiatr słoneczny promieniowanie radiowe Promieniowanie to nie ma własności jonizacji atmosfery

3 Promieniowanie Słońca - widmo Jak obliczyć energię pojedynczego fotonu? E = hc / E [ev] = 1.24 / [ m] 4 ev 2 ev 1 ev Maksimum natężenia promieniowania słonecznego odpowiada energii około 2 ev, a cały rozkład kończy się przy energii około 4 ev. Energia jonizacji - to energia, jaką musi mieć kwant promieniowania czyli foton, aby móc zjonizować materię, tj. od neutralnego atomu oderwać elektron lub więcej elektronów, zamieniając ten atom w dodatnio naładowany jon. Energia jonizacji atomu wodoru: 13.6 ev Energia wiązania elektronów przez jądra różnych pierwiastków zależy od liczby atomowej pierwiastka Z (czyli od ładunku elektrycznego jądra atomowego) oraz od miejsca (stanu) elektronu na kolejnych orbitach (K, L, M, ) w atomie.

4 Energie wiązania elektronów w atomach kilku przykładowych pierwiastków w ev (elektronowoltach) K L-I M-I H 13.6 O Fe Pb N-IV O-IV Średnia energia jonizacji Energie potrzebne do oderwania elektronów związanych w atomach na różnych powłokach są różne. Dla atomów każdego pierwiastka, a także dla mieszanin, wyliczone zostały średnie energie jonizacji. Przykłady wartości średniej energii jonizacji: Powietrze: 85 ev Aluminium: 164 ev Grafit: 78 ev Ołów: 812 ev

5 Jednostki energii w fizyce atomowej i jądrowej 1 ev typowa energia w fizyce atomowej formalnie: energia, którą zyskuje cząstka obdarzona ładunkiem e po przebyciu różnicy potencjału 1 V 1 MeV = 106 ev = ev typowa energia w fizyce jąder atomowych to promieniowanie o energii (pojedynczego fotonu lub cząstki) przekraczającej energię wiązania elektronów w atomach Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii (promieniowanie X znane też jako promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma) Promieniowanie emitowane przez jądra atomowe:.

6 Promieniowanie elektromagnetyczne - widmo Promieniowanie elektromagnetyczne - widmo Wielkości i jednostki: Częstotliwość [Hz] Długość fali [m] Energia E [ev] Promieniowanie elektromagnetyczne ma własność jonizowania materii wtedy, gdy energia kwantu promieniowania przekroczy około 10 elektronowoltów. Jest to obszar promieniowania X, czyli promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma.

7 Promieniowanie elektromagnetyczne - powstaje np. gdy na poruszającą się cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym działa siła, powodując zmianę prędkości tej cząstki. W szczególności promieniowanie X powstaje, gdy elektrony przyspieszone do energii kilkudziesięciu kev zderzają się z jądrami atomów. Źródła jonizującego promieniowania elektromagnetycznego: Lampa rentgenowska (elektrony o E~50 kev hamują) Synchrotron (elektrony o E~2 GeV poruszają się po łuku) Kineskop, np. w starym telewizorze (elektrony o E~3 kev hamują uderzając w ekran kineskopu) Lampa rentgenowska K katoda, A anoda, C chłodzenie, W - woda

8 Promieniowanie X Lampa rentgenowska: Elektrony z katody przyspieszane są do energii około 50 ev. Uderzając w anodę gwałtownie hamują, emitując przy tym promieniowanie. Powstaje przy tym nie tylko promieniowanie hamowania samych elektronów, ale i promieniowanie charakterystyczne materiału anody. Promieniowanie jąder atomowych Powstaje przy przemianach jąder atomowych, zarówno tych wywołanych przez reakcje jądrowe, jak i spontanicznych (samorzutnych) Ilość energii uwalnianej podczas przemian jądrowych jest tego rzędu, co energia wiązania jednego nukleonu (neutronu lub protonu) w jądrze atomowym Jest to energia znacznie większa niż energia potrzebna do zjonizowania atomu Średnia energia wiązania nukleonu ev = 8 MeV

9 Rozpad radioaktywnych jąder przemiana jednego jądra w inne, która zachodzi spontanicznie, bez udziału czynników zewnętrznych Rozpad Emitowane cząstki alfa Jądra atomów helu, czyli zlepki dwóch protonów i dwóch neutronów, A = 4, Z = 2 beta (plus i minus) gamma Elektrony lub ich antycząstki pozytony; masa 1840 razy mniejsza od masy protonu, A = 0, Z = ±1 Kwanty fali elektromagnetycznej o energiach od ok. 10 kev do 5 MeV, A = 0, Z = 0 Rozpad

10 Rozpad Rozpad 11 5 B

11 Rozpad EC (Electron Capture, czyli wychwyt elektronu) Cząstki powstające w wywołanych sztucznie lub zachodzących w naturze reakcjach jądrowych Przemiany jądrowe pod wpływem uderzenia cząstki w jądro. Neutrony składniki jąder atomowych, cząstki o masie prawie identycznej jak masa protonów (A=1), ale nie posiadające ładunku elektrycznego Lekkie cząstki - np. protony, deuterony, jądra helu Ciężkie jony Inne cząstki, powstające przy zderzeniach o jeszcze większych energiach (rzędu GeV)

12 Składniki jąder: protony i neutrony Proton cząstka o dodatnim ładunku elektrycznym Z=+1 Neutron cząstka obojętna elektrycznie Z=0 Protony i neutrony nazywamy nukleonami. Mimo istnienia odpychania kulombowskiego (protony mają ładunki jednoimienne, a więc się elektrostatycznie odpychają) składniki te przyciągają się na tyle mocno, aby utworzyć stabilne stany związane jądra atomowe. Odpowiedzialne za to przyciąganie siły są innej natury są to siły jądrowe. Liczba atomowa Z i masowa A Każde jądro można opisać podając liczbę tworzących je protonów i neutronów Z - liczba protonów w jądrze nazywa się liczbą atomową N liczba neutronów (zwykle się jej nie podaje) A=Z+N to suma liczb protonów i neutronów, czyli liczba wszystkich nukleonów w jądrze; nazywa się ją liczbą masową Symbol pierwiastka jest jednoznacznie powiązany z liczbą atomową Z

13 Izotopy - to jądra jednego pierwiastka różniące się między sobą liczbą neutronów. Przykłady: Jądra 12C i 14C to dwa izotopy węgla. Obydwa zawierają po 6 protonów (węgiel zajmuje szóste miejsce w układzie okresowym) i odpowiednio 6 (6+6=12) i 8 (6+8=14) neutronów. Jądra 235U i 238U to dwa izotopy uranu. Obydwa zawierają po 92 protony oraz odpowiednio 143 i 146 neutronów. Niektóre pierwiastki mają bardzo wiele izotopów, np. cyna ma 39 znanych izotopów. Liczba protonów Tablica izotopów Liczba neutronów

14 Tablica izotopów c.d. Energia wiązania jądra Masa każdego jądra jest mniejsza od sumy mas wszystkich jego składników. Różnica tych dwóch wielkości to tzw. deficyt (defekt) masy, który ze wzoru Einsteina E=mc 2 można przeliczyć na energię wiązania jądra. Najsilniej związane, a więc najbardziej stabilne, są jądra o odpowiednim stosunku liczby protonów do liczby neutronów. Gdy ten stosunek nie jest właściwy, jądro ulega przemianie (rozpada się) na inne, bardziej stabilne. Istnieją izotopy stabilne, jak i radioaktywne.

15 Energia wiązania nukleonów w jądrach Ścieżka stabilności Sposoby przemiany jąder atomowych w inne jądra Rozpad beta to zamiana jądra słabiej związanego w jądro silniej związane poprzez zamianę jednego z neutronów w proton (zachodzi wówczas, gdy w jądrze jest nadmiar neutronów) lub jednego protonu w neutron (gdy w jądrze jest nadmiar protonów). Rozpad alfa ciężkie jądra zawierające ponad 200 nukleonów potrafią zamienić się w jądro silniej związane poprzez wyrzut klastra składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli cząstki. Rozpad gamma często po rozpadzie beta jądra emitują zbędną energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

16 Długożyciowe jądra promieniotwórcze w środowisku Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat rozpadające się na jądra stabilne: 40K, 87Rb i kilkanaście innych; Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat, które rozpadają się na jądra niestabilne dając początek szeregom promieniotwórczym: 232Th, 238U i 235U i kolejne produkty rozpadu tych długożyciowych jąder; Jądra, które powstają podczas zderzeń stabilnych jąder, głównie tlenu i azotu, z cząstkami promieniowania kosmicznego: 3H, 14C, 7B i kilkanaście innych; w środowisku Wykład 2 Promieniowanie radioaktywnych jąder atomowych w środowisku naturalna promieniotwórczość Aleksandra Wrońska Wykład dla studentów Ochrony Środowiska

17 Okres (czas) połowicznego rozpadu jądra - to czas, po którym połowa jąder promieniotwórczych znajdujących się początkowo w próbce ulegnie rozpadowi T1/2. Czas połowicznego rozpadu jest różny dla różnych jąder i przyjmuje wartości od ułamków sekund aż do miliardów lat. Przykłady: Jądro 3 H 12 lat T1/2 7 Be 53 dni 14 C 5730 lat U 4.47 mld lat U 0.71 mld lat 232 Th 14.1 mld lat Zanikanie radioaktywności ogólnie: przykład 214 Bi:

18 Naturalna promieniotwórczość czyli radioaktywne jądra obecne w środowisku Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat rozpadające się na jądra stabilne: 40 K, 87Rb i kilkanaście innych; Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat, które rozpadają się na jądra niestabilne dając początek szeregom promieniotwórczym: 232 Th, 238U i 235U i kolejne produkty rozpadu tych długożyciowych jąder; łacznie około 50 izotopów, z których najważniejsze to 226Ra i 222Rn. Jądra, które powstają podczas zderzeń stabilnych jąder, głównie tlenu i azotu, z cząstkami promieniowania kosmicznego: 3H, 14C, 7B i kilkanaście innych; Długożyciowe jądra rozpadające się na jądra stabilne Tablica izotopów zawiera kilkanaście jąder, które rozpadają się na jądra stabilne Najważniejsze z nich to K, 87 Rb 9 K ma T1/2 = 1,26 10 lat, abundancja = 0,012% Rb ma T1/2 = 4, lat, abundancja = 27,8% Inne radioaktywne jądra to jądra pierwiastków rzadziej występujących w składzie chemicznym Ziemi, np. 50V, 115In, 123 Te, 138La, 190Pt

19 Izotopy potasu 23 W 40 g potasu znajduje się N A = 6,02 10 atomów. Z tego 0,012% to atomy z promieniotwórczymi jądrami W 1 g potasu w ciągu 1 sekundy rozpada się 30 jąder K. K. Szeregi promieniotwórcze W środowisku znajdują się 3 długożyciowe izotopy promieniotwórcze, które rozpadają się na inne, również promieniotwórcze, jądra. Są to 232Th, 238U i 235U. 232 Th (T1/2 = 1, lat) 10 jąder 238 U (T1/2 = 4,5 109 lat) 13 jąder 206 Pb 235 U (T1/2 = 7,1 108 lat) 11 jąder 207 Pb 208 Pb W składzie chemicznym Ziemi jest około 4 razy więcej toru niż uranu. Abundancje izotopów wynoszą: A(232Th) = 99,98% A(238U)=99,3% A(235U) = 0,7%

20 Przykłady szeregów promieniotwórczych Promieniowanie kosmiczne promieniowanie pierwotne (dociera z kosmosu do górnych warstw atmosfery) promieniowanie wtórne (dociera na poziom morza po przekształceniach na skutek oddziaływania pierwotnego z materią)

21 Promieniowanie kosmiczne oddziaływanie z atmosferą Cząstki tworzące promieniowanie kosmiczne mają bardzo dużą energię. Wywołują one liczne reakcje jądrowe z jądrami pierwiastków stanowiących atmosferę. Atmosfera absorbuje i zmienia skład promieniowania pierwotnego. Skład promieniowania kosmicznego Pierwotne Protony (jądra wodoru) ~87% Cząstki (jądra helu) ~11% Inne jądra ~1% Elektrony ~1% Miony ~70% Elektrony ~30% Wtórne Skład promieniowania kosmicznego ulega zmianie na skutek reakcji jądrowych. Średnia energia cząstek z kosmosu to 1010 ev, maksymalna dochodzi do 1019 ev. W wyniku reakcji powstają nowe jądra, które są szybko wyhamowywane. Na powierzchnię Ziemi docierają cząstki, które są bardziej przenikliwe (mają większy zasięg).

22 Jądra promieniotwórcze powstające nieustannie w atmosferze Promieniowanie kosmiczne oddziałuje z jądrami azotu i tlenu obecnymi w atmosferze. W wyniku tych reakcji powstają nowe jądra. Niektóre z nich są radioaktywne, o stosunkowo długim czasie połowicznego rozpadu. Najważniejsze z tych jąder to: 3 H (T1/2 = 12 lat), 14 C (T1/2 = 5370 lat), 7Be (T1/2 = 53 dni). Pozostają one w środowisku przez długi czas, aż do swojego rozpadu. Tablica izotopów okolice 14 C

23 Naturalna promieniotwórczość Gdzie w środowisku znajdują się promieniotwórcze izotopy? WSZĘDZIE! Powietrze Woda Materiały Żywność Organizmy żywe Ciało człowieka Jednostka aktywności źródła promieniotwórczego Aktywność źródła to liczba jąder atomowych ulegających rozpadowi z ciągu 1 sekundy. Jednostką aktywności jest 1 Bq (bekerel) Częściej używa się jednostek pochodnych: 1 kbq = Bq 1 MBq = Bq Dawniej używaną jednostką był kiur: 1 Ci = 3, Bq. Był on zdefiniowany jako aktywność 1 g 226Ra. Aktywność właściwa to aktywność 1 g próbki. Np. aktywność właściwa potasu wynosi 30 Bq/g.

24 Radioaktywność powietrza W powietrzu znajdują się następujące radioaktywne jądra atomowe: 222 Rn i 220Rn, które powstają w wyniku rozpadów a do atmosfery dyfundują z gleby Ar C (w postaci CO2), 3H (jako para wodna), 7Be i 37 Ui 232 Th, wszystkie one powstają w atmosferze w wyniku reakcji wywołanych przez promieniowanie kosmiczne 85 Kr produkt testu z bronią jądrową o czasie połowicznego rozpadu 10,7 lat Radioaktywność powietrza - przykłady W powietrzu zawsze znajdują się produkty rozpadu radonu gazu o chemicznych właściwościach gazu szlachetnego, który przenika do powietrza natychmiast gdy powstanie. Rozpad Rozpad Rn (T1/2 = 3,8 dnia) U 226Ra (T1/2 = 1620 lat) - Th 228Ra (T 1/2 = 6,7 lat) - Rn (T1/2 = 55 s)

25 Radon i produkty jego rozpadu Krótkożyciowe (potencjalnie groźne) produkty rozpadu radonu; Organizm ludzki wydala pochłonięty radon (połowę w czasie kilkunastu minut), ale w organizmie pozostają częściowo produkty rozpadu; Zawartość radonu w powietrzu w domu Radon swobodnie dyfunduje przez materiały. Do powietrza przenika głównie z gleby i skał podłoża. Źródło Podłoże (gleba) Woda wodociągowa Aktywność 0,05 Bq/l 0,0005 Bq/l Materiał ścian 0,003 Bq/l Powietrze z zewnątrz 0,006 Bq/l

26 Rozprzestrzenienie radonu Radioaktywność wody W wodzie głębinowej (źródlanej) zawartość prowadzi do aktywności 0-0,5 Bq/l. 226 Ra i 228 Ra Także w wodzie wodociągowej występują ślady radioaktywnych izotopów, głównie radu. Oprócz 226Ra i 228Ra w wodzie występują również w małych ilościach 3H, 7Be, 40K.

27 Zawartość radioaktywnych izotopów w wodzie w Bq/(1000 l) 226 H Ra Rn K U 5 40 Morze , Rzeki ,5-40 Woda gruntowa do Deszcze Woda pitna 1,5 10 W wodzie pitnej szczególnej kontroli podlega zawartość 226Ra, który ma tendencję do kumulowania się w układzie kostnym organizmu. Radioaktywne izotopy wytrącane z powietrza na powierzchnię Ziemi Opad 210 Pb Opad 7Be

28 Radioaktywność materiałów budowlanych w Bq/kg Materiał K 232 Ra Th Granit (D) Granit (I) Fosfogips (UK) Czerwona cegła Radioaktywne izotopy w żywności Produkt Całkowita aktywność [Bq/kg] Owoce 0,4 Mięso 2 Mleko skondensowane 4-8 Czekolada 30 Herbata (susz) 150 Orzechy brazylijskie 5 000

29 Aktywność ciała człowieka W naszych ciałach znajduje się przeciętnie 2 g potasu na 1 kg masy ciała 40 K 60 Bq/kg Przykład: osoba ważąca ~60 kg jest źródłem promieniowania gamma o aktywności około Bq. 87 Rb średnio 8 Bq/kg 3H brak bezpośrednich pomiarów 14 około 226 C Ra średnio 220 Bq/kg 0,17 Bq/kg (kości) Co to znaczy, że materiał zawiera radioaktywne izotopy? Izotopy promieniotwórcze emitują promieniowanie, które możemy łatwo zarejestrować. Każdy izotop emituje promieniowanie o określonej energii. Promieniowanie gamma jest jak odcisk palca izotopu pozwala go jednoznacznie zidentyfikować. Izotop zwykle rozpada się na inny, stabilny. Np. 40K rozpada się na na 14N, które są stabilne. 40 Ca, a 14 C Powstałe produkty rozpadu niczym nie różnią się od innych izotopów tego samego typu. Źródło promieniotwórcze zawiera z punktu widzenia makroskopowego bardzo mało atomów. Np. źródło 131I o aktywności 780 MBq zawiera około 1014 atomów jodu, czyli g. Jest to ilość niewykrywalna metodami chemicznymi. Z punktu widzenia zanieczyszczeń chemicznych radioaktywne izotopy nie mają żadnego znaczenia, bo ich koncentracja jest znikomo mała.

30 Naturalna promieniotwórczość czyli radioaktywne jądra obecne w środowisku Podsumowanie 40 Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat rozpadające się na jądra stabilne: K, i kilkanaście innych; 87 Rb Jądra o T1/2 rzędu 1 mld lat, które rozpadają się na jądra niestabilne dając początek szeregom promieniotwórczym: 232Th, 238U i 235U i kolejne produkty rozpadu tych długożyciowych jąder; łacznie około 50 izotopów, z których najważniejsze to 226Ra i 222Rn. Jądra, które powstają podczas zderzeń stabilnych jąder, głównie tlenu i azotu, z cząstkami promieniowania kosmicznego: 3H, 14C, 7B i kilkanaście innych; w środowisku Wykład 3 Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Aleksandra Wrońska Wykład dla studentów Ochrony Środowiska

31 Rodzaje promieniowania jonizującego Promieniowanie czyli jądra atomów 4He, podobnie jak one z materią oddziałują inne naładowane ciężkie cząstki, np. protony, deuterony, jądra 12C o energiach powyżej 1 MeV, Promieniowanie elektrony i ich antycząstki pozytony które posiadają ładunek elektryczny, ale w porównaniu z protonami mają bardzo małą masę, Promieniowanie to promieniowanie elektromagnetyczne, Neutrony cząstki neutralne o masie zbliżonej do masy protonów Różne rodzaje promieniowania oddziałują z materią na różne sposoby. Różnice w charakterze oddziaływania różnych rodzajów promieniowania Tylko cząstki promieniowania posiadające ładunek elektryczny mają własności bezpośredniej jonizacji ośrodka. Promieniowanie (ładunek +2e) i (ładunek ±e) mają ładunek, więc mają zdolność bezpośredniej jonizacji ośrodka. Promieniowanie i neutrony najpierw przekazują swoją energię cząstce obdarzonej ładunkiem (elektronowi lub jądru atomowemu), i dopiero ta cząstka jonizuje atomy ośrodka, w którym sie porusza.

32 Różnice w charakterze oddziaływania różnych rodzajów promieniowania c.d. Cząstki i inne ciężkie cząstki posiadające ładunek elektryczny (np. protony, deuterony, jony duża masa, naładowane). W zderzeniu z elektronem tracą znikomo małą część swojej energii i dalej poruszają się bez zmiany kierunku. Do zatrzymania w ośrodku takich cząstek potrzeba bardzo wiele aktów oddziaływania z elektronami. Promieniowanie (czyli elektrony mała masa, naładowane) w jednym zderzeniu z innym elektronem mogą przekazać nawet całą swoją energię, może też nastąpić znaczna zmiana ich kierunku ruchu po zderzeniu. Promieniowanie i promieniowanie X (bez ładunku, zerowa masa spoczynkowa) oddziałują z atomami, najpierw przekazując energię elektronowi. Dopiero ten elektron jonizuje dalej materię tak, jak promieniowanie. Neutrony (brak ładunku, masa zbliżona do masy protonu) - oddziałują głównie z jądrami atomów i przekazują im część swojej energii. Jądra te poruszają się i jonizują inne atomy wzdłuż swojego toru. Może też dochodzić do reakcji jądrowych. Oddziaływanie cząstek z materią Jonizacja Zderzenia z elektronami W zderzeniach z elektronami cząstki przekazują im małą część swojej energii, która jednak jest wystarczająca do zerwania wiązania elektronu z jądrem. Powstaje swobodny elektron i dodatnio naładowany jon. Cząstka porusza się dalej z nieznacznie zmniejszoną energią w prawie niezmienionym kierunku. Zderzenia z jądrami atomowymi Zderzając się z jądrem (ciężkim obiektem) cząstki mogą rozproszyć się zmieniając kierunek nawet o 180º, a przy jednym zderzeniu przekazać jądru nawet całą swoją energię, a zwykle dużą jej część. Zderzenia z elektronami zachodzą znacznie częściej, dlatego prawie wszystkie cząstki : poruszają się po linii prawie prostej, tracą stopniowo swoją energię jonizując bardzo dużo atomów.

33 Ilościowy opis procesu jonizacji Formuła Bethe-Blocha Strata energii na jednostkę drogi w ośrodku (absorbencie) zależy od prędkości (energii kinetycznej) i ładunku cząstki, a także od rodzaju materiału, w którym cząstka się porusza. Opis procesu jonizacji - przykłady Cząstki tracą swoją energię stopniowo. Na końcu drogi straty energii na jednostkę drogi są największe. Potem cząstka zatrzymuje się. Protony przyspieszone w akceleratorze do energii 500 MeV. Gdy poruszają się w powietrzu, na początku tracą jedynie ok. 3 MeV na 1 cm przebytej drogi, zaś tuż przed zatrzymaniem ok. 60 MeV na 1 cm drogi.

34 Oddziaływanie cząstek z materią podsumowanie W wyniku oddziaływania powstają pary elektron-jon wzdłuż całej drogi cząstki Podobnie dzieje się dla innych cząstek naładowanych o dużej masie (w porównaniu z masą elektronu). Najwięcej par elektron-jon powstaje w pobliżu końca drogi, tuż przed zatrzymaniem, gdy cząstka porusza się powoli Gdy mamy strumień cząstek o jednakowej energii wpadający do ośrodka, to każda z nich będzie stopniowo traciła energię w podobny sposób i wszystkie zatrzymają się po pokonaniu podobnej drogi, którą nazywamy zasięgiem cząstek w tym materiale. Zasięg cząstki materiale zależy od początkowej energii tej cząstki oraz od własności materiału. Oddziaływanie cząstek z materią Jonizacja Ponieważ elektron ma identyczną masę jak elektrony na orbitach atomów, dlatego w pojedynczym zderzeniu elektronu swobodnego z elektronem orbitalnym, ten swobodny może utracić znaczną część swojej energii, a nawet całą energię. Prowadzi to do zasadniczo odmiennej, w stosunku do cząstek ciężkich, charakterystyki procesu przenikania prędkich elektronów przez materię. Strata energii przez elektron następuje skokowo, ale z mniejszą częstością, a tory elektronów różnią się od linii prostej i mogą ulegać wielokrotnemu zakrzywieniu. Mniejsza gęstość jonizacji - dłuższy tor cząstki.

35 Oddziaływanie cząstek z materią Promieniowanie hamowania Elektron może tracić swoją energię także w zupełnie innym procesie. Jak każda cząstka naładowana, elektron podczas zmiany prędkości emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Proces ten jest istotny podczas hamowania cząstek lekkich (takich jak elektrony). Emisja promieniowania hamowania staje się konkurencyjnym do jonizacji sposobem utraty energii przez promieniowanie wtedy, gdy promieniowanie ma dużą energię i przechodzi przez materiał o dużej liczbie atomowej (np. Pb). Zasięg promieniowania i Długość toru cząstek w danym materiale zależy od ich energii. Dla cząstek o tej samej energii długości torów są niemal jednakowe. Średnia długość toru definiuje zasięg cząstki w danym materiale. Zasięg dla elektronów jest gorzej określony, bo są większe różnice w długości torów poszczególnych cząstek (większe rozmycie długości toru). Zasięg w tkance [mm] Zasięg w powietrzu [cm] 100 kev 0,0014 0,2 0, MeV 0,0072 4,0 0,5 330 Energia Zasięg cząstek o energii kilku MeV w powietrzu to kilka centymetrów, zaś w tkance miękkiej jedynie kilka mikrometrów.

36 Oddziaływanie promieniowania z materią Promieniowania oddziałuje z elektronami i jądrami ośrodka, przez który przechodzi, na wiele różnych sposobów. Największe znaczenie mają trzy mechanizmy, w których energia fotonu zostaje przekazana cząstce posiadającej ładunek elektryczny elektronowi: efekt fotoelektryczny efekt Comptona zjawisko tworzenia par e +e- Efekt fotoelektryczny Kwant promieniowania oddziałuje z atomem ośrodka i znika. Cała energia kwantu gamma przekazywana jest jednemu z elektronów związanych na powłoce. Zwykle jest to elektron silnie związany, najczęściej z powłoki K. Po zajściu efektu fotoelektrycznego nastepuje przebudowa powłoki elektronowej i emisja promieniowania X. Kwant promieniowania znika. E = Ekinetyczna e- + Ewiązania e

37 Efekt fotoelektryczny c.d. Prawdopodobieństwo zajścia efektu fotoelektrycznego: największe dla kwantów o małych energiach największe dla absorbentów o dużym Z Przybliżony wzór: = c Zn / E3,5 (n= od 4 do 5) Prawdopodobieństwo zajścia efektu fotoelektrycznego w wapniu (ZCa = 20) jest 40 razy większe niż w tlenie (ZO = 8), bo (20/8)4 40. Duża różnica w zdolności absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez wapń i tlen najcięższe składniki kości i mięśni jest przyczną dużego kontrastu zdjęć rentgenowskich. Efekt Comptona Efekt Comptona to efekt rozpraszania kwantu gamma na elektronach. Kwant gamma przy zderzeniu z elektronem zachowuje się jak cząstka. Oddaje elektronowi część swojej energii i już z mniejszą energią i w zmienionym kierunku podąża dalej z prędkością światła. E = E ' + Ee

38 Efekt Comptona c.d. Elektron, na którym rozprasza się kwant gamma to elektron niezwiązany lub słabo związany z jądrem atomowym. Po rozproszeniu energie kwantu rozproszonego i elektonu są takie, jak to wynika ze zderzenia sprężystego dwóch obiektów. Prawdopodobieństwo zajścia efektu Comptona maleje ze wzrostem energii kwantu gamma, ale nie dzieje się to tak szybko jak w przypadku efektu fotoelektrycznego. Efekt Comptona odgrywa istotną rolę dla kwantów gamma o energiach od 0,05 MeV do ok. 5 MeV. Prawdopodobieństwo to rośnie liniowo z liczbą atomową absorbentu Z. - Zjawisko tworzenia par elektron-pozyton Gdy energia kwantu przekracza dwukrotnie energię masy spoczynkowej elektronu (2mec2=1,02 MeV), możliwy jest proces, w którym kwant zamienia się na parę cząstek e+e-. Proces jest istotny dla dużych energii kwantu, większych od energii progowej 1,02 MeV. E = 1,02 MeV + Ee- + Ee Jego prawdopodobieństwo: rośnie z energią promieniowania, rośnie z liczbą atomową absorbenta jak Z2.

39 Wzajemne relacje trzech mechanizmów oddziaływania promieniowania z materią Al Pb W ołowiu, aż do energii 600 kev dominuje efekt fotoelektryczny, powyżej dominację przejmuje efekt Comptona aż do energii około 5 MeV, kiedy to wzrasta znaczenie efektu tworzenia par. W aluminium (małe Z) efekt fotoelektryczny przestaje być istotny już przy energii 200 kev, zaś w całym zakresie energii dominuje efekt Comptona. Zmiana natężenia promieniowania po przejściu warstwy materiału μ d I (d )=I 0 e I(d) natężenie po przejściu warstwy o grubości d I0 natężenie początkowe współczynnik absorpcji Natężenie promieniowania gamma maleje eksponencjalnie wraz z grubością przebytej warstwy. Aby znaleźć natężenie po przejściu przez promieniowanie określonej grubości absorbentu, konieczna jest znajomość współczynnika absorpcji. Współczynnik ten zależy od energii promieniowania gamma i rodzaju materału.

40 Oddziaływanie neutronów z materią Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, a ich masa jest w przybliżeniu równa masie protonu. Neutrony zderzają się w środowisku z jądrami atomów, z których zbudowany jest materiał i przekazują im część swojej energii kinetycznej w zderzeniach sprężystych. Dopiero te jądra, uderzone przez neutron, poruszając się ze stosunkowo dużą energią mają zdolność jonizacji innych atomów znajdujących się na ich drodze. Ponieważ zderzenia te występują dość rzadko, neutrony mogą przenikać przez grube warstwy materiału bez żadnego oddziaływania. Neutrony szybkie o typowej energii około 1 MeV, mają średnią drogę swobodną między kolejnymi zderzeniami rzędu kilkudziesięciu centymetrów. Oddziaływanie neutronów z materią c.d. Neutrony powolne, o energii poniżej 0,5 ev (czyli mniejszej nawet od energii wiązania elektronów w atomie) są z dużym prawdopodobieństwem pochłaniane przez jądra atomowe. Zachodzą reakcje jądrowe. Powstaje nowe jądro, mające w swoim składzie o jeden neutron więcej. Jądro takie jest często niestabilne, a więc radioaktywne. Materiał naświetlony neutronami aktywuje się. Neutrony powolne mają średnią drogę swobodną około 1 cm.

41 Zdolność penetracji dla różnych rodzajów promieniowania Ponieważ mechanizmy oddziaływania każdego rodzaju promieniowania z materią są różne, nie istnieje jeden materiał, który stanowiłby osłonę uniwersalną przed każdym rodzajem promieniowania. Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią - podsumowanie Cząstki silnie jonizują ośrodek wzdłuż krótkiej, prostej drogi (zasięg - mikrony). Promieniowanie jonizuje słabiej (zasięg mm) Promieniowanie prowadzi do wtórnej jonizacji, jest przenikliwe, przechodzi przez warstwy od kilku do kilkunastu centymentrów. Neutrony są bardzo przenikliwe. Prowadzą do wtórnej jonizacji i aktywacji materiału. Tylko naświetlanie neutronami może sprawić, że materiał staje się radioaktywny.

42 Podsumowanie Promieniowanie, i oddziałuje z elektronami atomów znajdujących się na torze tych cząstek. Zjonizowane atomy wkrótce wracają do stanu podstawowego i po chwili nie pozostają już żadne mierzalne ślady po oddziaływaniu. Wyjątek stanowi oddziaływanie neutronów z materią. Neutrony potrafią wniknąć do jądra atomowego. Po wychwycie neutronu jądro zmienia się w inne, na ogół jądro radioaktywne, które potem rozpada się. Neutrony aktywują materiały po naświetleniu strumieniem neutronów materiał staje się radioaktywny. Reakcje jądrowe mogą być także inicjowane przez cząstki, protony i inne (ciężkie jony) przyspieszane w akceleratorach do energii większych niż energie cząstek pochodzących z rozpadów promieniotwórczych. w środowisku Izotopy promieniotwórcze naturalne (są obecne w środowisku niezależnie od działalności człowieka): długożyciowe, pochodzące z szeregów promieniotwórczych i powstające w atmosferze Izotopy promieniotwórcze sztuczne (wytworzone przez człowieka w akceleratorach): zamknięte i otwarte źródła promieniotwórcze Izotopy promieniotwórcze odpady w energetyce jądrowej Wtórne promieniowanie kosmiczne Promieniowanie lamp rentgenowskich

43 w środowisku Wykład 4 Źródła promieniotwórcze Detektory promieniowania jonizującego Aleksandra Wrońska Wykład dla studentów Ochrony Środowiska Charakterystyka źródeł promieniotwórczych Rodzaj emitowanego promieniowania to podstawowa informacja potrzebna do ustalenia środków bezpieczeństwa Aktywność źródła (jak silne jest źródło) Czas połowicznego zaniku (jak trwałe jest źródło) Stan fizyczny i chemiczny (podział na otwarte i zamknięte źródła promieniotwórcze)

44 Klasyfikacja źródeł promieniotwórczych Źródła otwarte (open sources) Źródła zamknięte (sealed sources) Najczęściej stosuje się źródła zamknięte, czyli spełniające warunek, że radioaktywna substancja się z nich nie wydostanie. Dyrektywa 96/29 Euroatom: Sealed source: a source whose structure is such as to prevent, under normal conditions of use, any dispersion of radioactive substances into the environment. Sposoby zabezpieczania źródeł Sposoby zabezpieczania przed wydostaniem się substancji radioaktywnej ze źródeł promieniowórczych: Implantacja substancji radioaktywnej w metalowej matrycy bez żadnego opakowania Zamknięcie substancji radioaktywnej w bardzo wyszukanym opakowaniu spełniającym różne testy odporności Przykłady: 63Ni lub 14C w materiale syntetycznym nie wymagają zamknięcia. W normalnych warunkach blaszka z niklu jest stabilna, w warunkach zmienionych może np. ulec utlenieniu i radioaktywność mogłaby się rozprzestrzenić.

45 Standardy jakości opakowania ISO 2919 Zamknięcie (osłona) źródła poddawane jest testom odporności na: temperaturę i szok temperaturowy ciśnienie zgniatanie wibracje punktowe uderzenia Testy i oznaczenia źródeł zamkniętych Każdy z testów definiuje odporność źródła na kolejne próby i opisuje tę odporność w skali od 1 do 6. Przykład: uzyskanie w pierwszym teście wyniku 6 oznacza, że źródło może bezpiecznie znajdować się w temperaturze 800 ºC przez 10 minut i nie ulegnie uszkodzeniu przy skoku temperatury z 800 do 20 ºC. Przykład: źródło 63Ni o oznaczeniu ISO/C Dwie końcowe jedynki oznaczają, że dla tego źródła nie jest wymagana odporność na wibracje i punktowe uderzenia.

46 Testy i oznaczenia źródeł zamkniętych c.d. Inne normy ISO (ISO 1677) dotyczą innych informacji o źródle: szczelność opakowania, chemiczna zgodność opakowania z zawartością, podatność materiału osłony na aktywację przy naświetlaniu neutronami. Zastosowania źródeł zamkniętych Przemysł Fotografia złącz rurociągu: 60Co, Ir Cs, 60 Pomiar prędkości przepływu: Napełnianie zbiorników, pomiar poziomu w zbiornikach zamkniętych Pomiar grubości stali, szkła, gumy,... : Am, Pomiar małych grubości folii, papieru,... : 60 Co Am, Konserwacja żywności: Sterylizacja przyrządów medycznych: 60Co C, Cs Sr Co Laboratoria Mieszkania Detektory dymu: 241Am

47 Otwarte źródła promieniotwórcze Nie istnieją specjalne normy, a wymagania dotyczące tych źródeł zależą od ich przeznaczenia. Np. w medycynie są określone wymagania dotyczące zawartości w źródle innych niż pożądany izotop. Zastosowania źródeł otwartych: diagnostyka medyczna radioterapia badania w chemii i biologii Radioizotopy w medycynie Tablica izotopów z medycznego punktu widzenia: Courtesy: Ulli Kőster, EuNPC2015

48 Obrazowanie SPECT (99mTc, T1/2 = 6 h) Courtesy: Ulli Kőster, EuNPC2015 Tomografia PET (18F, T1/2 = 1,8 h) Courtesy: Ulli Kőster, EuNPC2015

49 Multidyscyplinarne działania w walce z nowotworami Chemia Fizyka jądrowa Radiochemia Jeżeli uda się wytworzyć białka, które będą chętnie się łączyć z komórkami nowotworowymi, to do tych białek można dołączać struktury cząsteczkowe o formie klatek, w których umieszczone są radioizotopy. W ten sposób energia uwalniana w rozpadach tych radioizotopów jest uwalniana w bezpośrednim sąsiedztwie guza. Courtesy: Ulli Kőster, EuNPC2015 Immunologia Biologia strukturalna Detektory promieniowania jonizującego Detektory wykorzystujące jonizację zbierają i rejestrują ładunek elektryczny (elektrony) pojawiający się podczas jonizacji w gazach Detektory scyntylacyjne rejestrują błyski światła, które powstają w pewnych kryształach (scyntylatorach) gdy pada na nie promieniowanie jonizujące Detektory półprzewodnikowe zbierają ładunek elektryczny (elektrony i dziury) pojawiający się w półprzewodnikach, gdy pada na nie promieniowanie jonizujące Inne różne detektory specjalne

50 Detektory promieniowania wykorzystujące jonizację zasada działania Wzdłuż toru cząstki naładowanej pojawiają się zjonizowane atomy i swobodne elektrony. Należy zarejestrować ten fakt. Jednak jony (+) i elektrony (-) przyciągają się i dochodzi do ponownego połączenia czyli rekombinacji Pomysł: rozdzielmy przestrzennie jony i elektrony przy pomocy pola elektrycznego. Można to łatwo zrobić w gazie, gdzie jony i elektrony mogą poruszać się swobodnie, jony powoli, elektrony szybko. Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony i jony poruszają się w przeciwnych kierunkach i mogą być zarejestrowane. Detektory promieniowania wykorzystujące jonizację zasada działania Należy zebrać cały ładunek elektryczny, który powstał podczas jonizacji. Wielkość tego ładunku związana jest z energią cząstki jonizującej. Jeśli przyłożone pole elektryczne jest silne, to elektrony i jony mogą być przyspieszane do takich energii, że same mogą jonizować inne atomy spotykane na swojej drodze. To zjawisko nosi nazwę jonizacji wtórnej. W wyniku jonizacji wtórnej do elektrod może dotrzeć znacznie większy ładunek niż ten powstały w jonizacji pierwotnej.

51 Detektory promieniowania wykorzystujące jonizację zasada działania Rozdzielenie przestrzenne elektronów i jonów Ładunek elektryczny, który dociera do anody w zależności od przyłożonego napięcia Detektory gazowe Licznik Geigera-Mullera licznik najczęściej stosowany w przenośnych urządzeniach do wykrywania skażeń. Dostarcza informacji o tym, czy jest podniesiony poziom natężenia promieniowania jonizującego. Licznik proporcjonalny stosuje się obecnie głównie w aparaturze naukowej do rejestracji promieniowania o niskiej energii. Komora jonizacyjna typ detektora gazowego stosowanego głównie w początkach detekcji promieniowania jonizującego. Obecnie jedynie w ochronie radiologicznej w indywidualnych dozymetrach.

52 Licznik Geigera-Mullera Detektorem jest cylindryczny kondensator o przewodzących ściankach, wypełniony gazem. Wzdłuż jego osi napięty jest drut. Między drutem (+) a ścianką (-) przyłożone jest napięcie ~500 V. Powstające na skutek jonizacji elektrony poruszają się w kierunku drutu, a po drodze same uzyskują zdolność jonizacji. Wszystkie elektrony powstałe w wyniku jonizacji pierwotnej i wtórnej docierają do elektrody. Rejestrujemy wówczas impuls elektryczny, czyli fakt, że w liczniku nastąpiła jonizacja. Rejestrujemy tylko fakt przejścia cząstki nie rozróżniamy rodzaju promieniowania ani nie mierzymy jego energii. Wydajność: do 100% dla promieniowania (rejestrujemy wszystkie cząstki, które przeniknęły przez ściankę licznika), ~1% dla promieniowania (rejestrujemy tylko te kwanty, których przejście wywołało powstanie elektronu w ściance lub gazie wypełniającym licznik). Licznik Geigera-Mullera. Schemat budowy licznika Geigera-Mullera Widok dozymetru opartego na liczniku Geigera-Mullera

53 Liczniki scyntylacyjne W niektórych kryształach promieniowanie jonizujące wywołuje powstawanie błysków światła. Błyski te nazywamy scyntylacjami. Ich obserwacja pozwala na rejestrowanie promieniowania jonizującego. Detekcja promieniowania jonizującego może polegać na: bezpośredniej obserwacji błysków np. w krysztale ZnS 2, rejestrowaniu błysków za pomocą czułych elementów fotoelektrycznych zwanych fotopowielaczami. Licznik scyntylacyjny to kryształ zdolny do scyntylacji przyklejony do fotopowielacza. Liczniki scyntylacyjne Działanie licznika: Promieniowanie przechodzące przez scyntylator wywołuje w nim błyski świetlne. Błyski docierają do katody fotopowielacza i wybijają z niej elektrony. Strumień elektronów jest przez fotopowielacz wzmocniony. Powstaje impuls napięcia, którego wysokość jest proporcjonalna do ilości błysków światła, a tym samym do energii cząstki, która wywołała te błyski. Rodzaje scyntylatorów: kryształy NaI(Tl), CsI(Tl), BaF2 antracen, plastik, niektóre tworzywa sztuczne Zastosowanie: do detekcji promieniowania gdy scyntylator ma dużą gęstość i zawiera składnik o dużym Z (jod, cez, bar, lutet). Rejestruje promieniowanie z wydajnością dochodzącą do kilkudziesięciu procent. do detekcji promieniowania kryształy z plastiku i materiały organiczne (wydajność 100%, duża szybkość rejestracji).

54 Liczniki scyntylacyjne HV Electronics Scyntylator kryształ przyklejony do fotopowielacza. Fotopowielacz przetwarza błysk światła na impuls napięcia Elektronika rejestruje impulsy napięcia i mierzy ch amplitudy. Pomiar amplitudy pomiar energii. Liczniki półprzewodnikowe Podczas jonizacji elektrony niekoniecznie muszą zostać oderwane od atomu. Mogą być tylko przemieszczone do stanu wzbudzonego. W półprzewodnikach przejście cząstki jonizującej powoduje przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Powstaje wtedy para ładunków: dziura(+) - elektron(-) analogicznie do pary jonelektron podczas jonizacji w gazie. Zaletą półprzewodnika jest duża gęstość w porównaniu z gazem. Stąd duża wydajność. Dodatkowo energia potrzebna na powstanie pary dziuraelektron jest około 10 razy mniejsza niż na powstanie pary elektron-jon. Powstaje więcej ładunku, stąd duża dokładność pomiaru energii promieniowania (dobra zdolność rozdzielcza).

55 Rodzaje liczników półprzewodnikowych Liczniki krzemowe Si służą do rejestracji i pomiaru energii wysokoenergetycznych cząstek naładowanych, promieniowania i. Inne liczniki krzemowe służą do precyzyjnego wyznaczania energii promieniowania X i niskoenergetycznego proeminiowania. Liczniki germanowe Ge służą do pomiaru energii promieniowania o dowolnej energii, zapewniają bardzo dokładny pomiar energii. Detektor germanowy Schemat budowy detektora germanowego Tak wygląda kryształ germanu Widok całego detektora, na dole zbiornik ciekłego azotu.

56 Pomiar energii promieniowania Widma promieniowania 60Co uzyskane przy pomocy detektora scyntylacyjnego NaI(Tl) oraz przy pomocy detektora germanowego Ge(Li). Źródło emituje promieniowanie o energiach 1173 i 1332 kev. Widmo promieniowania Widmo promieniowania 48K Widmo promieniowania 49 K Widmo promieniowania jak odcisk palca izotopu idealny sposób identyfikacji izotopów promieniotwórczych.

57 Widmo promieniowania Widmo promieniowania po naświetleniu tarczy Pb w akceleratorze wiązką 64 Ni Detektory promieniowania jonizującego używane w ochronie radiologicznej Klisza fotograficzna używana w indywidualnych dozymetrach zaczernienie kliszy informuje o wielkości dawki. Komora jonizacyjna naładowany kondensator rozładowuje się pod wpływem promieniowania jonizującego. Odczyt aktualnego napięcia jest natychmiastowym odczytem wielkości dawki. Scyntylatory kryształy, które mają własności termoluminescencji. Służą do długotrwałego (np. przez kilka miesięcy) pomiaru dawki w pomieszczeniu. Licznik Geigera-Mullera w przenośnych przyrządach dozymetrycznych. Szybka informacja o fakcie, że w pobliżu znajduje się źródło promieniowania jonizującego.